一种面向多智能船的分布式自主协同避碰方法技术

本发明专利技术提供一种面向多智能船的分布式自主协同避碰方法。主要包括：基于船舶碰撞危险度模型构建本船的危险船舶列表；判断所述本船的危险船舶列表是否为空；根据本船与目标船舶的航行信息划分会遇态势；根据会遇态势确定每艘船舶的避碰责任系数；基于ORCA算法构造出本船与所有危险船舶的交互避碰空间；选择偏离当前航向最小的速度矢量作为最优速度矢量；清空危险船舶列表。本发明专利技术能够对船舶周围的交通态势进行连续的感知、决策和响应，使每艘智能船舶都可基于有限的感知信息独立自主地进行分布式协同避碰，且船舶之间不需要沟通协调，不仅降低了船舶之间的碰撞风险，而且节省了船舶之间的通信成本。之间的通信成本。之间的通信成本。

【技术实现步骤摘要】
一种面向多智能船的分布式自主协同避碰方法


[0001]本专利技术涉及智慧航运
，具体而言，尤其涉及一种面向多智能船的分布式自主协同避碰方法。

技术介绍

[0002]随着科学技术的不断进步以及世界海运贸易量的不断增长，智能化作业方式正在逐步显示出巨大的潜力。近年来以“自主航行”为核心要素的智能船舶技术发展迅速，智能船舶利用先进的感知、认知、决策和控制技术，相比传统船舶，在经济性、安全性、可靠性、环保性和高效性等方面具有显著优势。智能船舶具有自主避碰决策的能力是确保其安全航行的关键。如何协调智能船舶之间的避碰行为，以满足动态场景中智能船舶之间实时协同的避碰需求，是当今智能船舶避碰决策技术的研究重点。
[0003]针对智能船舶避碰问题，国内外学者提出了很多方法，代表性的有基于粒子群的方法和基于模糊逻辑的方法等。这些方法针对简单场景下的智能船舶避碰问题，展现出了良好的性能，但是由于受到模型复杂度和计算效率的限制，每艘智能船舶的避碰决策有时会出现相互冲突的问题，很难应用于高动态和高密度的无人船集群场景，并且以上方法假设目标船舶的运动状态一直保持不变。这一假设在船舶实际航行中往往也是不成立的，因为目标船舶一旦察觉到其它船舶对其构成碰撞危险时，正常情况下也会采取相应的避碰措施。
[0004]此外，目前的智能船舶协同避碰技术大多是采用集中式的方式统一决策，即假设有一个协调中心来为每艘船舶制定相应的避碰航线，只有所有船舶按照各自的避碰航线航行才能避免碰撞。但是，该方法即使是在多船会遇的局面下，船舶也只进行一次决策以避免碰撞，忽略了船舶的自主性、避碰决策的实时性以及船舶周围交通态势的动态性，不适用于大规模智能船舶进行避碰的情况，例如海湾、港口等交通密集的狭窄区域。智能船舶进行避碰决策的实际情况应是每艘智能船舶根据周围船舶交通态势实时地做出自己认为最优的方案，以对目标船舶的行为做出快速响应。
[0005]当前，已有一些对智能船舶分布式自主协同避碰决策技术的相关研究，但是这些研究大多需要船舶之间进行沟通协调以交换彼此的避让意图，这会耗费大量的计算、通信成本。
[0006]例如多船会遇局面下的分布式避碰决策方法，虽然每艘船舶都能根据周围的交通状况独自做出判断，并且对目标船舶在不合作的情况下的应对决策进行了设计，能够处理所有船舶遵守避碰规则以及应对让路船不合作的情况。但是，此方法存在的一个问题是不同船舶之间的避碰决策可能会产生冲突，船舶之间需要沟通协作以避免冲突。
[0007]又如基于多智能体的船舶避碰方法，以多智能体为架构，结合船舶通信方式和船舶避碰知识，构建了基于多智能体的船舶避碰系统，但是船舶之间需要通过协商以避免碰撞。
[0008]再如基于分布协同策略的船舶避碰方法，主要针对开阔水域中多船间的避碰规
划。首先，利用蚁狮算法规划出本船相对于每艘会遇船舶的最佳避碰路线；其次，本船将每条最佳避碰路线，发送给会遇的船舶；然后，本船利用改进度指标公式分别计算出本船与会遇船舶的改进指标，将改进度大的船舶作为避让船舶，避让船舶按照其对应的最佳避碰路线进行航行，其它船舶按照原航线航行。但是，在此方法中本船与会遇船舶之间同样需要通信协调以避免碰撞。
[0009]综上所述，当前智能船舶避碰技术不适用于大规模船舶进行实时协同避碰的场景，同时，现有船舶协同避碰过程中需要沟通协调导致计算和通信成本偏高。

技术实现思路

[0010]本专利技术提出了一种面向多智能船的分布式自主协同避碰方法，将最优交互避碰(Optimal Reciprocal Collision Avoidance,ORCA)算法与真实的船舶航行约束条件相结合，能够对船舶周围的交通态势进行连续的感知、决策和响应，使每艘智能船舶都可基于有限的感知信息(航向、航速、位置)独立自主地进行分布式协同避碰，且船舶之间不需要沟通协调，不仅降低了船舶之间的碰撞风险，而且节省了船舶之间的通信成本。
[0011]本专利技术采用的技术手段如下：
[0012]一种面向多智能船的分布式自主协同避碰方法，包括以下步骤：
[0013]S1、获取本船及可见域内所有目标船舶的航行信息，所述航行信息包括位置、航向以及航速；
[0014]S2、根据本船位置和终点位置计算本船的期望速度矢量；
[0015]S3、计算本船与目标船舶的最小会遇距离、最小会遇时间、船舶安全域以及相对方位，基于船舶碰撞危险度模型构建本船的危险船舶列表；
[0016]S4、判断所述本船的危险船舶列表是否为空，如果本船的危险船舶列表为空执行S5，否则执行S6；
[0017]S5、判断本船是否到达终点，如果本船到达终点位置，结束此次航行；否则，以当前期望速度矢量继续航行，在经历一个决策周期后执行S1；
[0018]S6、判断所述本船的危险船舶列表中船舶的个数是否大于1，如果列表中船舶的个数等于1执行S7，否则执行S9；
[0019]S7、根据本船与目标船舶的航行信息，参考国际海上避碰规则，划分会遇态势；
[0020]S8、根据会遇态势确定每艘船舶的避碰责任系数，执行S10；
[0021]S9、确定每艘船舶承担相同的避让责任系数；
[0022]S10、获取智能船舶每次做决策的决策周期；
[0023]S11、将船舶安全域、决策周期、避让责任系数作为ORCA算法的输入，构造出本船与所有危险船舶的交互避碰空间；
[0024]S12、本船通过线性规划选择偏离当前航向最小的速度矢量作为最优速度矢量航行；
[0025]S13、清空危险船舶列表，经历一个决策周期后执行S1。
[0026]进一步地，根据本船位置和终点位置计算本船的期望速度矢量，包括根据以下公式获取本船的期望速度矢量：
[0027][0028]其中，speed
OS
为本船的航速，为本船当前的位置，为本船终点的位置。
[0029]进一步地，根据以下公式计算本船与目标船舶的最小会遇距离：
[0030]DCPA＝D
×
sin(c
OT
‑
θ
‑
Π)
[0031][0032][0033]其中，D为本船与目标船舶之间的距离，θ为目标船舶的真方位角，v
oT
为本船与目标船舶的相对速度，v0为本船的航速，c0为本船的航向；
[0034]根据以下公式计算本船与目标船舶的最小会遇时间：
[0035][0036]进一步地，基于船舶碰撞危险度模型构建本船的危险船舶列表，包括根据以下方式判断是否将目标船舶加入危险船舶列表中：
[0037][0038]其中，d
s
为船舶安全域。
[0039]进一步地，根据本船与目标船舶的航行信息，参考国际海上避碰规则，划分会遇态势，包括根据以下方式进行会遇态势划分：
[0040]满足以下公式的会遇态势定义为对遇：
[0041][0042]满足以下公式的会本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向多智能船的分布式自主协同避碰方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取本船及可见域内所有目标船舶的航行信息，所述航行信息包括位置、航向以及航速；S2、根据本船位置和终点位置计算本船的期望速度矢量；S3、计算本船与目标船舶的最小会遇距离、最小会遇时间、船舶安全域以及相对方位，基于船舶碰撞危险度模型构建本船的危险船舶列表；S4、判断所述本船的危险船舶列表是否为空，如果本船的危险船舶列表为空执行S5，否则执行S6；S5、判断本船是否到达终点，如果本船到达终点位置，结束此次航行；否则，以当前期望速度矢量继续航行，在经历一个决策周期后执行S1；S6、判断所述本船的危险船舶列表中船舶的个数是否大于1，如果列表中船舶的个数等于1执行S7，否则执行S9；S7、根据本船与目标船舶的航行信息，参考国际海上避碰规则，划分会遇态势；S8、根据会遇态势确定每艘船舶的避碰责任系数，执行S10；S9、确定每艘船舶承担相同的避让责任系数；S10、获取智能船舶每次做决策的决策周期；S11、将船舶安全域、决策周期、避让责任系数作为ORCA算法的输入，构造出本船与所有危险船舶的交互避碰空间；S12、本船通过线性规划选择偏离当前航向最小的速度矢量作为最优速度矢量航行；S13、清空危险船舶列表，经历一个决策周期后执行S1。2.根据权利要求1所述的一种面向多智能船的分布式自主协同避碰方法，其特征在于，根据本船位置和终点位置计算本船的期望速度矢量，包括根据以下公式获取本船的期望速度矢量：其中，speed
OS
为本船的航速，为本船当前的位置，为本船终点的位置。3.根据权利要求1所述的一种面向多智能船的分布式自主协同避碰方法，其特征在于，根据以下公式计算本船与目标船舶的最小会遇距离：DCPA＝D
×
sin(c
OT
‑
θ
‑
Π)Π)
其中，D为本船与目标船舶之间的距离，θ为目标船舶的真方位角，v
oT
为本船与目标船舶的相对速度，v0为本船的航速，c0为本船的航向；根据以下公式计算本船与目标船舶的最小会遇时间：4.根据权利要求3所述的一种面向多智能船的分布式自主协同避碰方法，其特征在于，基于船舶碰撞危险度模型构建本船的危险船舶列表，包括根据以下方式判断是否将目标船舶加入危险船舶列表中：其中，d
s
为船舶安全域。5.根据权利要求1所述的一种面向多智能船的分布式自主协同避碰方法，其特征在于，根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：张秀国，宋飞飞，王少博，曹志英，霍然，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：